Kwas siarkowy » Opis » co to? » Definicja pojęcia
Ekologia.pl Wiedza Encyklopedia kwas siarkowy
Definicja pojęcia:

kwas siarkowy

Spis treści

Kwas siarkowy, kwas siarkowy (VI) (H₂SO₄) – nieorganiczny związek chemiczny zaliczany do grupy kwasów tlenowych, zbudowany z centralnie położonego atomu siarki (S) połączonego pojedynczymi wiązaniami kowalencyjnymi z dwiema grupami hydroksylowymi (OH) oraz podwójnymi wiązaniami kowalencyjnymi z dwoma atomami tlenu (O).

Kwas siarkowy (VI) jest bezbarwną i oleistą cieczą pozbawioną zapachu o gęstości wynoszącej 1,84 g/cm³ (20°C). Posiada silne właściwości higroskopijne; wykazuje zdolność do pochłaniania pary wodnej zawartej w powietrzu atmosferycznym. Po podgrzaniu do temperatury wyższej niż 300°C kwas siarkowy (VI) zaczyna się stopniowo rozkładać, tworząc wodę (H₂O) oraz duszące opary tritlenku siarki (SO₃). Dobrze rozpuszcza się w wodzie i innych rozpuszczalnikach polarnych; rozcieńczanie wodą przebiega z wydzieleniem dużych ilości ciepła (proces egzotermiczny). Kwas siarkowy (VI) jest jednym z najsilniejszych kwasów nieorganicznych, wykazującym dużą aktywność chemiczną. W roztworach wodnych ulega niemal całkowitej dysocjacji, tworząc jony hydroniowe (H₃O⁺) oraz kwaśne wodorosiarczany (HSO₄⁻) i obojętne siarczany (SO₄²⁻). Rozcieńczony kwas siarkowy (VI) rozpuszcza większość metali (z wyj. metali szlachetnych).  Stężony kwas siarkowy (VI) w podwyższonej temperaturze utlenia większość metali (w tym metali szlachetnych) i niemetali (np. węgiel, siarkę); jest silnym środkiem odwadniającym, zwęglającym substancje organiczne (np. węglowodany). Kwas siarkowy (VI), otrzymywany na skalę przemysłową metodą kontaktową, wykorzystywany jest w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, włókienniczym, papierniczym, garbarstwie oraz metalurgii; rozcieńczony kwas siarkowy (kwas akumulatorowy) pełni rolę elektrolitu w akumulatorach ołowiowych.

Występowanie w przyrodzie

Kwas siarkowy (VI) (H₂SO₄), zwany potocznie kwasem siarkowym, powstaje naturalnie w przyrodzie w wyniku reakcji utleniania minerałów siarczkowych (np. pirytu) występujących powszechnie w skałach osadowych, magmowych i metamorficznych. Piryt, czyli nadsiarczek żelaza (II) (FeS₂) wystawiony na działanie tlenu cząsteczkowego (O₂) oraz wilgoci zawartej w powietrzu atmosferycznym (H₂O) (korozji atmosferycznej) ulega rozkładowi do siarczanu (VI) żelaza (II) (FeSO₄) i kwasu siarkowego (VI) (H₂SO₄) zgodnie z poniższą reakcją:

2 FeS₂ + 7O₂ + 2 H₂O → 2 FeSO₄ + 2 H₂SO₄

Kwas siarkowy (VI) stanowi również składnik kwaśnych opadów atmosferycznych (głównie deszczu, mżawki, śniegu) oraz innych produktów kondensacji pary wodnej (np. mgły, szadzi) powstających wskutek zakwaszania wody atmosferycznej w wyniku jej reakcji z tlenkami siarki (SOₓ) (tzw. kwaśnymi gazami) emitowanymi do atmosfery wraz z zanieczyszczeniami pochodzenia naturalnego (np. gazami wulkanicznymi) i antropogenicznymi (powstającymi m.in. w procesie spalania paliw kopalnych – węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego). Ditlenek siarki (SO₂) w atmosferze utlenia się do tritlenku siarki (SO₃), który w wyniku reakcji z wodą atmosferyczną tworzy kwas siarkowy (VI) (H₂SO₄):

2 SO₂ + O₂ → 2SO₃
SO₃ + H₂O → H₂SO₄

Powstające w powyższych procesach higroskopijne aerozole zawierające kwas siarkowy (H₂SO₄) bądź siarczany (SO₄²⁻) (tzw. aerozole siarczanowe) stanowią jądra kondensacji, na których stopniowo osadzają się produkty kondensacji pary wodnej w atmosferze (cząstki chmurowe, np. kropelki wody). W miarę zwiększania się rozmiarów i ciężaru krople wody wraz z cząsteczkami kwasu siarkowego opadają na powierzchnię ziemi w postaci kwaśnych opadów, przyczyniając się do zakwaszenia gleby i zbiorników wodnych (depozycja mokra).

Proces powstawania kwaśnych opadów. Źródło: shutterstock

Właściwości fizyczne kwasu siarkowego

Stężony kwas siarkowy (VI) jest bezbarwną i oleistą cieczą pozbawioną zapachu o gęstości wynoszącej 1,83 g/cm³ (20°C). Posiada silne właściwości higroskopijne; wykazuje zdolność do pochłaniania pary wodnej zawartej w powietrzu atmosferycznym. Kwas siarkowy (VI) bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie i innych rozpuszczalnikach polarnych (np. etanoluegzotermicznym, przebiegającym z wydzieleniem dużych ilości ciepła. Hydraty kwasu siarkowego powstające w wyniku wiązania cząsteczek wody (np. H₂SO₄ · H₂O) przyczyniają się do znacznego wzrostu temperatury mieszaniny, co może doprowadzić do jej wrzenia oraz rozpryskiwania się. W celu uniknięcia kontaktu wrzących i rozpryskujących się kropli żrącej mieszaniny ze skórą kwas siarkowy (VI) jako substancję o większej gęstości zawsze dodaje się do wody w niewielkich porcjach przy równoczesnym mieszaniu oraz ewentualnym obniżaniu temperatury reakcji (nigdy odwrotnie).


Temperatura wrzenia bezwodnego kwasu siarkowego (VI) wynosi 337°C; związek ten topi się w temperaturze 10,31°C. Temperatura topnienia kwasu siarkowego ulega spadkowi w miarę zmniejszania się stężenia kwasu (w wyniku rozcieńczania wodą) i wynosi odpowiednio 1,8°C dla kwasu 98,5%, -3,7°C dla kwasu 97,5%, -12,6°C dla kwasu 96% oraz -27°C dla kwasu 93%. Po podgrzaniu do temperatury wyższej niż 300°C kwas siarkowy (VI) zaczyna się stopniowo rozkładać, tworząc wodę (H₂O) oraz białe i duszące opary tritlenku siarki (SO₃) wykazujące silne właściwości higroskopijne (wykorzystywane do osuszania gazów). Roztwór wodny zawierający 98,3% kwasu siarkowego (VI), określany mianem stężonego kwasu siarkowego (VI), stanowi mieszaninę azeotropową (azeotrop) o temperaturze wrzenia 338°C i gęstości 1,84 g/cm³. Tworzą ją pozostające w równowadze termodynamicznej składniki ciekłe (kwas siarkowy (VI) i woda) oraz składniki gazowe (opary tritlenku siarki i para wodna).

Kwas siarkowy (VI). Źródło: shutterstock

Budowa i właściwości chemiczne kwasu siarkowego

Kwas siarkowy, kwas siarkowy (VI) (H₂SO₄) jest nieorganicznym związkiem chemicznym o masie molowej 98,079 g/mol, zaliczanym do grupy kwasów tlenowych. Cząsteczka składa się z centralnie położonego atomu siarki (S) oraz czterech tetraedrycznie rozmieszczonych wokół niego ligandów – dwóch grup hydroksylowych (OH) połączonych z siarką za pośrednictwem pojedynczych wiązań kowalencyjnych i dwóch atomów tlenu (O) połączonych podwójnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Kwas siarkowy jest bardzo mocnym kwasem dwuprotonowym (niskie wartości pKₐ, czyli ujemnych logarytmów dziesiętnych ze stałych dysocjacji kwasu Kₐ; pKₐ1 = -3,0; pKₐ2 = 1,99); cechuje się dużą aktywnością chemiczną. W roztworach wodnych kwas siarkowy (VI) ulega niemal całkowitej dysocjacji, tworząc kationy hydroniowe (H₃O⁺) oraz kwaśne aniony wodorosiarczanowe (HSO₄⁻):

H₂SO₄ + H₂O → H₃O + HSO₄

Powstałe wodorosiarczany (HSO₄⁻) ulegają natomiast częściowej dysocjacji do kationów hydroniowych (H₃O⁺) oraz obojętnych anionów siarczanowych (SO₄²⁻):

HSO₄ + H₂O ⇋ H₃O+SO₄²⁻

Rozcieńczony kwas siarkowy (VI) rozpuszcza większość metali (z wyj. metali szlachetnych), wydzielając gazowy wodór (H₂) i tworząc odpowiednie siarczany (np. siarczan (VI) żelaza (II) FeSO₄, siarczan (VI) cynku ZnSO₄):

Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂
Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂

Kwas siarkowy (VI) wypiera reszty kwasowe słabszych kwasów nieorganicznych i kwasów organicznych z ich soli:

CaF₂ + H₂SO₄ → CaSO₄ + 2 HF
2 CH₃COONa + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2 CH₃COO

Stężony kwas siarkowy (VI) w podwyższonej temperaturze (ok. 100°C) wykazuje właściwości utleniające; reaguje z wieloma metalami (w tym metalami szlachetnymi i półszlachetnymi, np. srebrem, miedzią) oraz niemetalami (np. węglem, siarką), ulegając redukcji do ditlenku siarki (SO₂):

Cu + 2 H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2 H₂O
C + 2 H₂SO₄ → CO₂ + 2 SO₂ + 2 H₂O

Stężony kwas siarkowy (VI) stanowi również silny środek odwadniający, powodujący rozkład substancji organicznych (np. sacharozy, skrobi), papieru i niektórych włókien sztucznych do węgla i wody. Zwęglanie sacharozy (C₁₂H₂₂O₁₁) jest egzotermiczną reakcją rozkładu cukru do czarnego osadu węgla i wody ulegającej odparowaniu w wysokiej temperaturze reakcji:

C₁₂H₂₂O₁₁ → 12 C + 11 H₂O


Kwas siarkowy (VI) otrzymywany jest na skalę przemysłową z wykorzystaniem metody kontaktowej polegającej na otrzymywaniu ditlenku siarki (SO₂), utlenianiu go do tritlenku siarki (SO₃), który następnie ulega absorpcji w dymiącym kwasie siarkowym (tzw. oleum).

Ditlenek siarki (SO₂) otrzymuje się w wyniku:

  • prażenia rud siarczkowych, np. pirytu (FeS₂) bądź blendy cynkowej (ZnS) w piecach obrotowych lub reaktorach półkowych: 4 FeS₂+11 O₂→2 Fe₂O₃+8 SO₂
  • reakcji spalania (utleniania) siarki: S+O₂→SO₂ 
  • reakcji spalania (utleniania) siarkowodoru (H₂S): 2 H₂S+3 O₂→2 SO₂+2 H₂O

Otrzymany ditlenek siarki (SO₂) poddawany jest następnie reakcji utleniania do tritlenku siarki (SO₃) powietrzem wzbogaconym w tlen w obecności katalizatora (kontaktu) z tlenku wanadu (V₂O₅) w temperaturze 450°C pod ciśnieniem atmosferycznym: 2 SO₂+O₂⇋2 SO₃

Opary tritlenku siarki (SO₃) absorbowane są następnie w wieżach absorpcyjnych (skruberach) w oleum, czyli roztworze tritlenku siarki (SO₃) w bezwodnym kwasie siarkowym (VI) (H₂SO₄), co prowadzi do powstania kwasu pirosiarkowego (H₂S₂O₇): SO₃+H₂SO₄→H₂S₂O₇

Otrzymany kwas pirosiarkowy (H₂S₂O₇) poddawany jest ostrożnemu rozcieńczaniu, w wyniku którego otrzymuje się czysty, stężony kwas siarkowy (VI) (98%): H₂S₂O₇+H₂O→2 H₂SO₄

Obieg siarki w przyrodzie. Źródło: shutterstock

Znaczenie biologiczne kwasu siarkowego

Siarczany (VI) rozpuszczalne w wodzie (SO₄²⁻), stanowiące główną formę przyswajalnej siarki dla organizmów żywych, są ważnym składnikiem obiegu tego pierwiastka w przyrodzie (cyklu siarkowego). Sole kwasu siarkowego (VI) powstają w wyniku utleniania różnych postaci siarki występujących w wodach, glebie i skałach, m.in. siarki elementarnej (S₂), siarkowodoru (H₂S), nadsiarczku żelaza (II) (FeS₂), tiosiarczanu sodu (Na₂S₂O₃) lub rodanku potasu (KCNS). Procesy utleniania tych zredukowanych związków siarki do kwasu siarkowego (VI) lub siarczanów (VI) przeprowadzane są przez tlenowe bakterie siarkowe (np. Beggiatoa, Thiobacillus, Thiothrix). Bakterie Beggiatoa mirabilis zasiedlające środowiska wodne bogate w związki siarki (źródła siarczanowe) utlenia siarkę elementarną (S₂) do kwasu siarkowego (VI) (H₂SO)₄:

S₂+O₂+H₂O→2 H₂SO₄

Thiobacillus thiooxidans zamieszkujący gleby, wody i osady denne utlenia tiosiarczan sodu (Na₂S₂O₃) do siarczanu (VI) sodu (Na₂SO₄) i kwasu siarkowego (VI) (H₂SO₄):

Na₂S₂O₃+H₂O+O₂→Na₂SO₄+ H₂SO₄

Aniony siarczanowe (SO₄²⁻) pobierane są z roztworu glebowego przez rośliny, gdzie ulegają redukcji do tioli – związków organicznych zawierających grupy sulfhydrylowe (−SH). Tiole wbudowywane są następnie w aminokwasy (cysteinę i metioninę) tworzące odpowiednie białka roślinne. Głównym źródłem siarki dla zwierząt są organiczne związki siarki pobierane wraz z pożywieniem pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego. Materia organiczna (szczątki roślinne i zwierzęce, produkty przemiany materii) ulega rozkładowi do siarkowodoru (H₂S) bądź siarczków (S²⁻) przy udziale bakterii beztlenowych (bakterii desulfuryzacyjnych), dzięki czemu związki te mogą być ponownie przekształcone do siarczanów przez bakterie siarkowe.

Zastosowania kwasu siarkowego

Kwas siarkowy (VI) (H₂SO₄) jest jednym najważniejszych surowców przemysłu chemicznego; wykorzystywany jest m.in. do produkcji nawozów sztucznych (np. superfosfatu), materiałów wybuchowych, barwników, środków myjących, emulgatorów, związków powierzchniowo czynnych, leków, włókien sztucznych (np. włókien poliamidowych, jedwabiu wiskozowego, celulozy wiskozowej) oraz licznych związków chemicznych – siarczanów, eterów, estrów, kwasów nieorganicznych (np. kwasu solnego, ortofosforowego, fluorowodorowego) oraz  kwasów organicznych (np. kwasu octowego, winowego). Stosowany jest jako odczynnik laboratoryjny w analizie i syntezie chemicznej (m.in. w reakcjach sulfonowania i nitrowania związków organicznych). Kwas siarkowy (VI) używany jest również w procesach rafinacji ropy naftowej, olejów mineralnych, osuszania gazów, trawienia żelaza, powierzchniowej obróbce metali (np. oczyszczanie, bejcowanie, chromowanie, eloksalowanie). Rozcieńczony kwas siarkowy (VI) (kwas akumulatorowy) pełni rolę elektrolitu w akumulatorach ołowiowych.

Stężony kwas siarkowy (VI) (H₂SO₄) wykorzystywany jest do produkcji kwasu solnego (HCl). Źródło: shutterstock
Indeks nazw
Szukaj lub wybierz według alfabetu
A B C D E F G H I J K L Ł M N O P Q R S Ś T U V W X Y Z Ź Ż
Znaki ekologiczne
EKO-ITB
EKO-ITB
4.8/5 - (6 votes)
Default Banner Post Banner
Subscribe
Powiadom o
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments